Манёвры и теория катастроф

Ориентировочное время чтения: 10 мин.
 
Ссылка на статью будет выслана вам на E-mail:
Введите ваш E-mail:

ДОТУ

12. Манёвры и теория катастроф

Замкнутая система может иметь один и более устойчивых балансировочных режимов, принадлежащих к счётному или несчётному множеству. Перевод замкнутой системы из одного балансировочного режима в другой — наиболее часто встречающийся вид маневра. Манёвр, кроме каких-то специфических случаев, имеет смысл, если конечный для него балансировочный режим — устойчивый режим для данной замкнутой системы. В пространстве параметров, описывающих замкнутую систему, манёвр — траектория перехода от одной точки (начальный вектор состояния) к другой точке (конечный вектор состояния). Маневр — безусловно устойчив, если возмущающее воздействие, воспринимаемое замкнутой системой в его ходе, не выведет траекторию в пространстве параметров из некоего коридора допустимых отклонений от идеальной траектории.

По отношению к манёвру вектор целей — функция времени, т.е. идеальная траектория и хронологический график прохождения контрольных точек на ней. Множество допустимых векторов ошибки — коридор допустимых отклонений от идеальной траектории с учетом отклонений по времени в прохождении контрольных точек на идеальной траектории.

Манёвр может быть и условно устойчивым, то есть замкнутую систему удаётся перевести в конечное состояние с приемлемой точностью, но возмущающие воздействия (в том числе конфликтное управление) в процессе маневра плохо предсказуемы до его начала; вследствие этого траектория перехода должна корректироваться в ходе маневра с учётом реальных отклонений. Манёвр может быть завершён при условии, что в течение перехода возмущающие воздействия не превысят компенсационных возможностей замкнутой системы. Это же касается и ситуации конфликтного управления одним объектом со стороны нескольких субъектов.

Примером такого рода условно устойчивого манёвра является любое плавание эпохи парусного флота «из пункта А в пункт Б»: совершить переход — шансы есть, но об аварийности, сроках и маршруте можно говорить только в вероятностном смысле о будущем и в статистическом смысле — о прошлом. Политика также даёт множество примеров такого рода условно устойчивых манёвров.

То есть, безусловно устойчивый манёвр имеет вероятность успешного завершения, обусловленную возмущающими воздействиями на замкнутую систему в его ходе, равную единице, которая однако может быть сведена к нулевой вероятностной предопределённости низкой квалификацией управленцев[1]. Вероятность приемлемого завершения условно устойчивого манёвра подчинена объективно вероятностным предопределённостям возмущающего воздействия, характеристикам объекта, а субъективно — высокая квалификация субъекта-управленца может вытянуть до единичной предопределённости низкую вероятность осуществления условно устойчивого маневра.

В этой формулировке под «возмуща­ю­щим воздействием» следует понимать как внешние воздействия среды, включая и конфликты управления, так и внутренние изменения (поломки и т.п.) в замкнутой системе. Этот пример также иллюстрирует соотношение понятий «устойчивость в смысле ограниченности отклонений» и в смысле предсказуемости поведения.

К манёврам перехода предъявляются разные требования, но наиболее часто предъявляется требование плавности, безударности, т.е. отсутствия импульсных (ударных) нагрузок на замкнутую систему в процессе её движения по идеальной траектории манёвра с допустимыми отклонениями в пространстве параметров. В математической интерпретации это требование эквивалентно двукратной дифференцируемости по времени вектора состояния замкнутой системы и наложению ограничений на вектора-произ­вод­ные («скорость», «ускорение») во всём пространстве коридора допустимых отклонений на протяжении идеальной траектории. Снятие этого требования — перенос задачи управления в область приложений теории катастроф.

Теория катастроф рассматривает процессы, в которых плавное изменение параметров системы прерывается их скачкообразным изменением (предсказуемым или заранее неизвестным), после чего система оказывается в другом режиме существования или разрушается.

Режим, в котором оказывается система после «катастрофы», может быть предсказуем — либо однозначно, либо в вероятностно-статистическом смысле, либо непредсказуем.

Этот скачок теория называет «катастрофой» (далее катастрофа в кавычках — именно в этом смысле), что в большинстве случаев практических приложений правильно, поскольку ударный характер нагрузки на замкнутую систему может её повредить, разрушить или быть неприемлемым по каким-то иным причинам. Сама теория «катастроф» родилась из обобщающего анализа реальных катастроф в их математическом описании. Режим, в котором оказывается система после «катастрофы», может быть предсказуем — либо однозначно, либо в вероятностно-статистическом смысле, либо непредсказуем.

Типичный пример явлений, изучаемых теорией «катастроф», — переход колебательного процесса из одной потенциальной ямы в другую потенциальную яму: так в шторм корабль испытывает качку относительно одного устойчиво вертикального положения — нормального: днищем — вниз, палубой — вверх. Плавное увеличение амплитудных значений крена при качке может привести к внезапному опрокидыванию корабля кверху днищем в течение интервала времени менее полупериода качки (секунды) в процессе усиления шторма, обледенения и т.п. Но и опрокинувшийся корабль может не сразу же пойти ко дну, а может ещё длительное время оставаться на плаву кверху днищем, по-прежнему испытывая качку относительно своего другого, также устойчиво вертикального положения, но уже не нормального.

«Неплавная» траектория может быть проекцией вполне «плав­ной» траектории, лежащей в пространстве параметров большей размерности, в подпространство меньшей размерности. Область потенциально устойчивого по предсказуемости управления в пространстве параметров вектора состояния по отношению к конкретной замкнутой системе — объективная данность. В ней лежит множество объективно возможных траекторий манёвров; и множество объективно невозможных. Во множестве объективно возможных траекторий можно выделить подмножество траекторий, на которых лежат точки «катастроф». Это могут быть точки нарушения двукратной дифференцируемости по времени вектора состояния; точки превышения ограничений, налагаемых на вектора-произ­вод­ные; точки изменения меры предсказуемости (например, точки ветвления траекторий в вероятностном смысле); точки на границах между двумя потенциальными ямами и т.п.

Если рассматривать сказанное по отношению к железнодорожному транспорту страны, то: область потенциально устойчивого управления — вся территория государства; множество объективно возможных маневров — существующая сеть железных дорог. Множество объективно невозможных — всё, где нет рельсов и где невозможно по техническим причинам проложить рельсы или построить стрелочные переводы для изменения направления движения. Точки катастроф — неисправные пути и стрелочные переводы, слишком крутые повороты и негабаритные места, непроходимые для некоторых видов подвижного состава и локомотивов и т.п. — то есть это реальные возможности катастроф. По отношению к каждому из видов груза железнодорожные узлы — точки ветвления их траекторий в вероятностном смысле.

Этот пример хорошо показывает соотношение всех перечисленных категорий, но сами «катастрофы» теории катастроф в нём представлены только реальными катастрофами железнодорожного транспорта. Далее, чтобы не путаться в катастрофах в кавычках и без кавычек, мгновенную потерю управления — в смысле теории «катастроф» — мы будем называть срыв управления.

Причины срывов управления могут быть самые различные и могут лежать на любом из этапов полной функции управления.

Две любые точки в пространстве параметров, описывающих замкнутую систему (два вектора состояния), могут соединять более чем одна траектория. Среди этих траекторий могут быть траектории, отвечающие требованию плавности, и траектории, хотя и не проходящие через точки срыва управления, но по которым «жёстко ездить» из-за превышения ограничений, налагаемых на вектора-произ­водные. Возможны ситуации, когда все траектории, соединяющие начальный и конечный вектора состояний, проходят через точки срыва управления. Но чаще приходится сталкиваться с тем, что неквалифицированные управленцы, потеряв управление и зная о способности управляемой ими иерархически организованной системы к самовосстановлению управления в некотором режиме после включения в процесс иных её уровней организации, начинают дурачить головы доверчивым простакам ссылками на «тео­рию катастроф» и «шоковую терапию». Чаще других этим грешат политиканы. Для них точки «катастроф» — точки, в которых обнажается их несостоятельность в качестве управленцев.

В действительности же следует исследовать геометрию области предполагаемого маневрирования на предмет её полного включения в область потенциально устойчивого управления. Если же какие-то фрагменты области предполагаемого маневрирования содержат в себе точки срыва управления, выпадают из области потенциально устойчивого (при необходимом качестве) управления по причине много-связности[2] области, отсутствия её выпуклости и т.п., то такие зоны необходимо исключить и пролагать траектории маневров в обход них (и точек срыва управления в частности).

Именно этим занимаются все квалифицированные навигаторы: зная осадку корабля, при подходе к берегу, на навигационной карте они проводят границу района, запретного для маневрирования из-за малости в нём глубин. Кроме того, курс пролагается по возможности вдали и от одиночных опасностей: затонувших судов, скал и т.п. В те же времена, когда составлялись первые карты, в незнакомые районы под всеми парусами тоже никто не совался: шли с осторожностью, делая непрерывно промеры глубин; иногда корабль лежал в дрейфе или стоял на якоре, а промеры делали со шлюпки.

Манёвр перехода из одного балансировочного состояния в другой, отвечающий требованию плавности, если позволит время, распадается на три периода:

  • выход из балансировочного режима,
  • установившийся манёвр (сам балансировочный режим, но с другим вектором целей),
  • вхождение в новый балансировочный режим.

[1] Кадры решают всё.

[2] Связность области — число её замкнутых (или уходящих в бесконечность) границ, не переходящих одна в другую. Выпуклость — когда прямая, соединяющая две любые точки области, содержит в себе только точки этой области.